分子進化シミュレーションによる長枝誘引の発生メカニズム解明と解消法の提案

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K12244
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 堀池 徳祐 静岡大学, 農学部, 准教授 (20535306)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Keywords: 分子系統樹 / 長枝誘引

Outline of Annual Research Achievements

2022年度は主に本研究推進のための基盤となるプログラム（系統樹推定の元となるアミノ酸配列に変異を加えた後にさらに変異を追加するプログラム）の作成を行った。
これまでの進化シミュレーションはモデル系統樹をもとに、配列をシミュレートするだけで、シミュレート後の配列に追加の変異を入れることはできなかった。したがって、時系列に沿った推定系統樹の樹形の変遷を確認することができなかった。当初の計画では一つずつ置換を入れることを想定していたが、そのまえに一定の枝長分の変異を追加するプログラムを作成した。このプログラムでは長枝に指定した枝の長さを一定の長さずつ伸ばした時のそれぞれの配列データが取得でき、それぞれの配列データを用いてマルチプルアラインメントや系統樹作成ができる。変異はアミノ酸の置換、挿入、欠失の３種類とし、どれが起こるかは確率的に決まるようにした。この時の確率はINDELible（2009）を参考にして決定した。アミノ酸の置換はアミノ酸置換行列LGに従って確率的におこすようにした。挿入は、まず挿入されるアミノ酸長をZipfian分布から確率的に決定し、各アミノ酸の平衡頻度に基づいて確率的に挿入するアミノ酸を決定した。欠失アミノ酸長は、挿入と同様にZipfian分布から確率的に決定した。欠失させるアミノ酸長がアミノ酸配列長より長い場合には遺伝子欠失が起きたとし、変異を中止し、0aaのアミノ酸配列を出力する。欠失するアミノ酸長がアミノ酸配列長より短い場合には、アミノ酸配列から欠失箇所をランダムに決定し、欠失させた。
このプログラムにより、一つのオーソログデータをもとに作成されるマルチプルアラインメント、系統樹を時系列で観察するためのデータを作成できるようになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の5年計画において、2022年度は長枝誘引の発生メカニズムを調査するために、追加変異を加える進化シミュレーションプログラムの作成を目標としていた。当初の計画では一つずつ置換を入れることを想定していたが、今年度は一定の枝長分の変異を追加するプログラムを作成した。この方法でも少しずつモデル系統樹の長枝を伸ばすことにより、ほぼ同じ効果が得られる。

Strategy for Future Research Activity

今後は任意の数のOTUを持つモデル系統樹を用いて分子進化シミュレーションを行い、生成された配列を元にマルチプルアラインメントと系統樹作成を自動で行えるようにする。また、推定された系統樹がモデル系統樹と等しい樹形、長枝誘引樹形、その他の樹形を自動で判定できるプログラムを作成する予定である。また、枝長の記録、配列類似性の測定を行い、長枝誘引との関係を明らかにしていく予定である。

Causes of Carryover

2022年度はプログラミングが主であり、ワークステーションを購入する必要がなかったため。大規模な計算が必要になり次第、ワークステーションを購入する。